JP2015094682A - エンコーダ、エンコーダを備えた装置、位置検出方法および位置検出処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】スケールとセンサの相対ずれによる位置検出誤差を低減する。
【解決手段】エンコーダのスケール１０は、互いに異なる周期の周期パターンを含む複数のトラック１１，１２を有する。複数の検出部２１，２２を有するセンサ２０は複数のトラック１１，１２のそれぞれに対して設けられている。信号処理手段３０は、センサ２０からの複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて検出した粗位置を用いて複数の周期信号間の基準位相差を算出し、該基準位相差と複数の周期信号間の実位相差とを用いてスケール１０とセンサ２０との相対移動方向における複数のトラック１１，１２に対する複数の検出部２１，２２による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出する。該誤差を用いて複数の周期信号のうち特定の周期信号の誤差低減処理を行い、粗位置と誤差低減処理が行われた位相とを用いてスケール１０又はセンサ２０の絶対位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器等の各種装置に用いられ、該装置内の可動部材の移動に応じたスケールとセンサとの相対移動に伴って該可動部材の位置を示す信号を出力するエンコーダに関する。特に本発明は、バーニア方式で可動部材の絶対位置を検出するアブソリュート型エンコーダに関する。

可動部材の位置や速度を検出するために使用されるエンコーダは、周期パターンが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動に伴い、周期パターンに応じて周期的に変化する周期信号を出力するセンサとにより構成される。エンコーダには、例えば、１つの周期パターンから互いに位相が異なる２つの周期信号（２相信号）を生成し、それら２相信号の周期数と位相とからスケールとセンサとの相対位置を検出するインクリメンタル型エンコーダがある。また、エンコーダには、例えば、互いに周期が異なる２つの周期パターンから２組の２相信号を生成し、一方の組の２相信号の位相と他方の組の２相信号の位相との差（位相差）からスケール又はセンサの絶対位置を検出するアブソリュート型エンコーダがある。

さらに、アブソリュート型エンコーダには、バーニア方式と称される角度検出方式が採用されているものがある。バーニア方式のエンコーダでは、互いに周期が異なる周期パターンが設けられた複数のトラックを有するスケールが用いられる。そして、それぞれのトラックから検出される互いに周期が異なる複数の周期信号間の位相差を演算することで、元の各周期信号の周期とは異なる周期を有する周期信号（バーニア信号）を得る。

アブソリュート型エンコーダには、スケールとセンサとの相対位置を検出するインクリメンタル型エンコーダのような電源投入時の原点検出動作が不要である。ただし、アブソリュート型エンコーダでは、それぞれ周期パターンを含む複数のトラックをそれぞれのトラックに対応してセンサに設けられた複数の検出部によって読み取る構成が採用される場合が多い。この場合に、スケールとセンサとの相対的な回転（傾き）によって、スケールとセンサとの相対移動方向における複数の検出部のそれぞれがトラックを読み取る位置の相対的なずれによって位置検出誤差が発生することがある。

特許文献１には、そのような位置検出誤差を抑制するアブソリュート型エンコーダが開示されている。具体的には、スケールとセンサのそれぞれにおける特定箇所が一致する相対位置を基準相対位置として、工場出荷時と装置組み付け時とで基準相対位置にて特定のトラックから読み取った信号の位相ずれ量に相当する値を記憶しておく。そして、その後に装置においてエンコーダにより検出した位置を該位相ずれ量に相当する値を用いて補正することで、位置検出誤差を低減する。

特開２０１０−２５８７９号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたエンコーダでは、スケールとセンサを装置に組み付けた後にそれらスケールとセンサの相対位置が基準相対位置となるように位置の調整を行う必要がある。このため、該位置調整のための手間や時間がかかり、装置への組み付け性が良くないという問題がある。

本発明は、スケールとセンサを装置に組み付けた後にこれらスケールとセンサの相対位置を特別な相対位置に調整することなく、位置検出誤差を低減することができるエンコーダ、該エンコーダを備えた装置、位置検出方法および位置検出プログラムを提供する。

本発明の一側面としてのエンコーダは、互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールと、該スケールとの相対移動が可能であるとともに、複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、該複数のトラックの周期パターンをそれぞれ検出した複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサと、複数の周期信号を用いて、スケールまたはセンサの絶対位置を算出する信号処理手段とを有するアブソリュート型エンコーダである。そして、信号処理手段は、複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出する粗位置検出手段と、粗位置を用いて、複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出する基準位相差算出手段と、複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出する実位相差算出手段と、基準位相差と実位相差とを用いて、スケールとセンサとの相対移動方向における複数のトラックに対する複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行う位相補正手段と、粗位置と誤差低減処理が行われた位相とを用いて絶対位置を算出する絶対位置算出手段とを有することを特徴とする。

なお、上記エンコーダと、スケールまたはセンサが設けられ、移動が可能な可動部材と、エンコーダから出力される絶対位置の情報を用いて可動部材の位置または移動を制御する制御手段とを有する装置も本発明の他の一側面を構成する。

また、本発明の他の一側面としての位置検出方法は、互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールとの相対移動が可能であるとともに、該複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、複数のトラックの周期パターンをそれぞれ検出した複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサを用いて、スケールまたはセンサの絶対位置を算出する方法である。そして、該位置検出方法は、複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出し、粗位置を用いて、複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出し、複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出し、基準位相差と実位相差とを用いて、スケールとセンサとの相対移動方向における複数のトラックに対する複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行い、粗位置と誤差低減処理が行われた位相とを用いて絶対位置を算出することを特徴とする。

さらに、本発明の他の一側面としての位置検出プログラムは、互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールとの相対移動が可能であるとともに、該複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、複数のトラックの周期パターンをそれぞれ検出した複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサから出力された該複数の周期信号を用いて、コンピュータにスケールまたはセンサの絶対位置を算出する処理を行わせるコンピュータプログラムである。そして、上記処理は、複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出するステップと、粗位置を用いて、複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出するステップと、複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出するステップと、基準位相差と実位相差とを用いて、スケールとセンサとの相対移動方向における複数のトラックに対する複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行うステップと、粗位置と誤差低減処理が行われた位相とを用いて絶対位置を算出するステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、スケールとセンサとの相対移動方向におけるいずれの相対位置においても、複数のトラックのそれぞれに対応する複数の検出部の検出位置の相対ずれによる誤差を求めることができる。このため、スケールとセンサを装置に組み付けた後にこれらスケールとセンサの相対位置を特別な相対位置に調整することなく、位置検出誤差を低減することができ、精度の高い位置検出が可能なエンコーダを実現することができる。

本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示す図。 実施例１のエンコーダに含まれるスケール上の周期パターン（トラック）を示す図。 実施例１のエンコーダに含まれるセンサにおける受光部の構成を示す図。 実施例１のエンコーダに含まれる信号処理部の構成を示す図。 上記センサから出力される２相周期信号の波形を示す図。 実施例１における位相関係を示す図。 実施例１において信号処理部が行う位置検出処理の流れを示すフローチャート。 本発明の実施例２であるエンコーダに含まれるスケール上の周期パターン（トラック）および実施例２のエンコーダに含まれるセンサにおける受光部の構成を示す図。 実施例２のエンコーダに含まれる信号処理部の構成を示す図。 実施例２において信号処理部が行う位置検出処理の流れを示すフローチャート。 実施例１，２のエンコーダを備えた本発明の実施例３である装置（光学機器）の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１であるエンコーダの構成を示している。エンコーダは、複数（本実施例では２つ）のトラック１１，１２が設けられたスケール１０と、発光部２３および複数（２つ）の受光部２１，２２を有するセンサ２０と、信号処理部３０とにより構成されている。本実施例のエンコーダは、スケール１０とセンサ２０との直線方向での相対移動量に応じて、スケール１０またはセンサ２０の絶対位置の情報を信号処理部３０から出力する反射型光学式のバーニア方式アブソリュート型エンコーダ（リニアエンコーダ）である。

以下、本実施例のエンコーダを搭載した装置において、該エンコーダによる位置または移動（速度）の制御対象である可動部材にスケール１０が取り付けられ、装置の不動部（固定部）にセンサ２０が取り付けられている場合について説明する。つまり、センサ２０に対してスケール１０が移動し、可動部材に取り付けられたスケール１０の位置を検出する場合について説明する。ただし、可動部材にセンサを、不動部にスケールをそれぞれ取り付けてセンサがスケールに対して移動するようにして、センサの位置を検出するようにしてもよい。

スケール１０において、トラック１１，１２のそれぞれには、スケール１０とセンサ２０の相対移動方向に延びる周期パターンが設けられている。各周期パターンには、図２に示すように、反射部（図中の黒色または灰色の部分）と非反射部（図中の白抜き部分）とが、該相対移動方向に周期的に交互に配置されている。スケール１０とセンサ２０の相対移動方向（周期パターンの周期方向）を、以下の説明では位置検出方向という。

トラック１１の周期パターンの周期（ピッチ）はＰ１１であり、トラック１２の周期パターンの周期（ピッチ）はＰ１２である。周期Ｐ１１と周期Ｐ１２は、トラック１１，１２の位置検出方向での全長（トラック全長）をＬとするとき、
Ｌ＝２０×Ｐ１１＝１６×Ｐ１２
で表される関係を有する。また、トラック１２は、位置検出方向において、反射部の反射率が一定の変化率で変化する周期パターンにより構成されている。トラック１１の反射部の反射率を１００とするとき、トラック１２の反射部の反射率は、該トラック１２の一端から他端にかけて３０から１００まで一定の変化率で変化する。

センサ２０において、受光部２１，２２は、トラック１１，１２をそれぞれ読み取る（つまりはトラック１１，１２に対応した）検出部として設けられている。図１に示すように、受光部２１，２２と発光部２３は、センサ２０における同一平面上に配置されている。発光部２３からトラック１１に向けて照射された光のうちトラック１１の反射部で反射した光を受光部２１が受光する。また、発光部２３からトラック１２に向けて照射された光のうちトラック１２の反射部で反射した光を受光部２２が受光する。

受光部２１，２２には、図３（Ａ）に示すように、それぞれの位置検出方向での幅がＰ１０／２である複数の受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが位置検出方向に並んで配置されている。具体的には、４つの受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが循環的に（図３では４回循環するように）位置検出方向に並んでいる。スケール１０がセンサ２０に対して移動すると（スケール１０とセンサ２０とが相対移動すると）、各受光素子にて受光される反射光の強度が変化する。

このとき、受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出力はそれぞれ、センサ２０内でＡ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）として扱われる。そして、Ａ＝Ａ（＋）−Ａ（−）およびＢ＝Ｂ（＋）−Ｂ（−）によって、互いに位相が異なる２相の擬似正弦波信号（以下、周期信号という）Ａ，Ｂが生成される。具体的には、受光部２１の出力Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）からトラック１１の周期パターン（の周期Ｐ１１）に応じた変化周期を有する２相周期信号Ａ，Ｂが生成される。また、受光部２２の出力Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）からトラック１２の周期パターン（の周期Ｐ１２）に応じた変化周期を有する２相周期信号Ａ，Ｂが生成される。こうしてセンサ２０にて生成された二組の２相周期信号は、信号処理部３０に出力される。

また、本実施例では、発光部２３に用いられている光源はＬＥＤ等の発散光光源であり、前述したように発光部２３と受光部２１，２２とが同一平面上に配置された反射光学系が構成されている。このため、発光部２３からトラック１１，１２に照射され、ここで反射した光により受光部２１，２２上に投影される周期パターンは２倍に拡大される。つまり、受光部２１，２２上での位置検出方向において、受光素子１つに相当するＰ１０／２の幅は、トラック１１，１２上ではＰ１０／４に相当する。したがって、受光素子４つに相当する２×Ｐ１０の幅は、トラック１１，１２上ではＰ１０に相当する。また、トラック全長Ｌと周期Ｐ１０との関係は、
Ｌ＝１８×Ｐ１０
であり、上述したＬ＝２０×Ｐ１１＝１６×Ｐ１２との比較から、Ｐ１０とＰ１１とＰ１２は互いに十分に近い値である。受光部２１，２２はトラック（周期パターン）１１，１２における特定範囲からの反射光強度を電気信号に変換しているため、周期パターンの周期と受光素子の幅とが多少ずれても、センサ２０からは周期パターンに対応した信号が出力される。つまり、スケール１０がセンサ２０に対してＰ１１だけ移動すると受光部２１から１周期の２相周期信号が出力され、スケール１０がセンサ２０に対してＰ１２だけ移動すると受光部２２から１周期の２相周期信号が出力される。

信号処理部３０は、図４に示すように、ＡＤコンバータ３１、位相検出処理部３２、粗位置情報検出処理部（粗位置検出手段）３３、基準位相差算出処理部（基準位相差算出手段）３４および検出位相差算出処理部（実位相差算出手段）３５を含む。また、信号処理部３０は、位相補正処理部（位相補正手段）３６および位置検出処理部（絶対位置算出手段）３７を含む。信号処理部３０は、センサ２０からの出力信号を用いて位置検出処理を行い、その結果として得られた位置の情報を出力する。この位置検出処理について説明する。

なお、図７には、信号処理部３０が行う位置検出処理（位置検出処理方法）の流れをフローチャートに示しており、以下の説明におけるステップ１〜８が該フローチャート中のＳ１〜Ｓ８に相当する。

まず、ＡＤコンバータ３１は、センサ２０から出力された二組の２相周期信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する（ステップ１）。２相周期信号（擬似正弦波信号）Ａ，Ｂはそれぞれ、位相をθとすると、ｓｉｎθおよびｃｏｓθとして表される。このため、これらに対してａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、θ（０≦θ＜２π）を求めることができる。

ただし、本実施例では、トラック１１，１２に形成された周期パターンの周期Ｐ１１，Ｐ１２と、センサ２０の検出周期Ｐ１０とが異なる。ここにいう、センサ２０の検出周期は、各周期信号の生成に用いられる受光素子のピッチに対応する周期パターンの周期であり、本実施例は周期パターンが２倍に拡大される反射系であるため、受光素子のピッチＰ１０／２の２倍となる。このため、ａｒｃｔａｎ演算により求められる２相周期信号間での位相差は正確にはπ／２とならない。具体的には、センサ２０から検出される２相周期信号の周期は、トラック１１，１２の周期パターンの周期に対応するＰ１１またはＰ１２となる。図５には、受光部２１からの出力を用いて生成される周期がＰ１１である２相周期信号を示している。一方、位相差は、各受光部に投影される周期パターンの周期が２倍に拡大されることから、図５に示すように、各受光素子の幅Ｐ１０／２の半分であるＰ１０／４となる。

このため、位相検出処理部３２は、π／２からずれた各組の２相周期信号の位相差を下記のように補正する（ステップ２）。そして、位相差が補正された各組の２相周期信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うことにより、周期Ｐ１１の２相周期信号の位相と周期Ｐ１２の２相周期信号の位相とを算出する（ステップ３）。

位相差の補正について説明する。まず、周期Ｐ１１で位相差Ｐ１０／４の２相周期信号は、振幅をｒとすると、ｒｓｉｎθおよびｒｓｉｎ（θ＋π／２×Ｐ１０／Ｐ１１）として表すことができる。また、以下の式（１）に示すように、正弦波において正負を反転させた値は位相をπだけシフトした値と等しい。

ここで、任意のφについて以下の式（２）が成立するため、ｒｓｉｎθとｒｓｉｎ（θ＋Ｐ１０／４×２π／Ｐ１１）との和と差をそれぞれ求める。差は式（１）より和の式に変換することができる。このため、以下の式（３），（４）に示すように、位相差がπ／２である２つの値を求めることができる。

次に、Ｐ１０とＰ１１は既知であるから、式（３），（４）の右辺に対してそれぞれ、
１／［２ｃｏｓ（π／４×Ｐ１０／Ｐ１１）］
１／［２ｃｏｓ（π／４×Ｐ１０／Ｐ１１＋π／２）］
を乗ずることにより、振幅ｒを有する互いに直交する２相周期信号ｒｓｉｎθ，ｒｃｏｓθを求めることができる。そして、この２相周期信号に対してａｒｃｔａｎ演算を行うと、演算結果はθではなく、θ＋Ｐ１０／Ｐ１１×π／４となるため、演算結果からＰ１０／Ｐ１１×π／４を減じることで位相θを求める。周期Ｐ１２で位相差Ｐ１０／４の２相周期信号についても同様に位相差を補正して位相を算出することができる。

以下の説明において、周期Ｐ１１，Ｐ１２の２相周期信号に対応する位相をそれぞれθＰ１１，θＰ１２とする。また、受光部２１からの出力を用いて生成された２相周期信号をトラック１１に対応する２相周期信号ともいい、受光部２２からの出力を用いて生成された２相周期信号をトラック１２に対応する２相周期信号ともいう。

次に、粗位置情報検出処理部３３は、スケール１０の粗位置を算出する（ステップ４）。粗位置は、最終的に出力すべき絶対位置（後述するｘ）よりも精度が粗い位置である。まず、粗位置情報検出処理部３３は、トラック１２に対応する２相周期信号の振幅を粗位置信号として検出する。具体的には、位相検出処理部３２で求めた２相周期信号ｒｓｉｎθ，ｒｃｏｓθを用いて振幅ｒを以下の式（５）により求める。

振幅はトラックの反射部の反射率に応じて変化するため、トラック１１に対応する２相周期信号の最大振幅を１００とすると、トラック１２に対応する２相周期信号の振幅は３０から１００まで変化する。そこで、粗位置情報検出処理部３３は、粗位置をｃとするときに、この粗位置ｃが位相と同じく０から２πまでの範囲で表されるように以下の式（６）に示される演算を行う。

ｃ＝（ｒ−３０）×２π／（１００−３０） ・・・（６）
続いて、基準位相差算出処理部３４は、粗位置ｃを用いて、トラック１１，１２のそれぞれに対応する２組の２相周期信号間での位相差の基準値としての基準位相差を算出する（ステップ５）。本実施例では、トラック１１，１２に設けられた周期パターンの周期数の差は４であるため、基準位相差算出処理部３４は、粗位置ｃを４倍して０から２πの範囲に正規化することにより、トラック全長で４周期の基準位相差に変換する。基準位相差をφｒｅｆとすると、φｒｅｆは以下の式（７）により表され、粗位置ｃと基準位相差φｒｅｆはそれぞれ図６（Ａ），（Ｂ）に示すようになる。ただし、ＭＯＤ（ｘ，ｙ）はｘを被除数とし、ｙを除数としたときの剰余を表す。
φｒｅｆ＝ＭＯＤ（ｃ×４，２π） ・・・（７）
次に、検出位相差算出処理部３５は、θＰ１１，θＰ１２から、トラック１１，１２のそれぞれに対応する２組の２相周期信号間の位相差の実際値（検出値）である実位相差としての検出位相差を算出する（ステップ６）。検出位相差をφとすると、φは以下の式（８）で表され、θＰ１１とθＰ１２と検出位相差φはそれぞれ、図６（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すようになる。
φ＝ＭＯＤ（θＰ１１−θＰ１２，２π） ・・・（８）
ここで、基準位相差φｒｅｆおよび検出位相差φはともにトラック全長で０から２πまで変化するため、２つのトラック１１，１２に対する受光部２１，２２の読み取り位置がともに理想的であれば、同一の値となる。

しかし、実際にはスケール１０またはセンサ２０の装置への取り付け状態によってスケール１０とセンサ２０との間に相対的な回転（傾き）が生じる場合がある。この場合、トラック１１，１２に対する受光部２１，２２の読み取り位置（検出位置）に相対的なずれ（相対ずれ）が発生することが多い。そして、このようなトラック１１，１２に対する読み取り位置の相対ずれは、特に検出位相差φに大きな誤差を発生させる。これは、基準位相差φｒｅｆはスケール全長Ｌに相当する移動量に対して２πだけ変化する粗位置ｃから求められているのに対し、検出位相差φはＬ／２０，Ｌ／１６の移動量に対してそれぞれ２πだけ変化するθＰ１１，θＰ１２から求められているためである。

例えば、位置検出方向においてトラック１１に対する読み取り位置を基準としてトラック１２に対する読み取り位置のずれがＬ／３２だけ発生すると、θＰ１２はπだけ変化する。このとき、基準となるθＰ１１は変化しないため、検出位相差φも図６（Ｆ）に示すようにπだけ変化する。

一方、基準位相差φｒｅｆは、式（５），（６）および（７）に示すように、トラック１１に対応する２相周期信号から求められているため、トラック１１に対する読み取り位置を基準とすれば、誤差は発生しないとみなすことができる。したがって、基準位相差φｒｅｆと検出位相差φとから、トラック１１とトラック１２のそれぞれに対する受光部２１，２２の読み取り位置の相対ずれを求めることができる。

位相補正処理部３６は、基準位相差φｒｅｆと検出位相差φとから、位相θＰ１２に含まれるトラック１１，１２に対する受光部２１，２２の読み取り位置の相対的なずれによる誤差を低減した位相θＰ１２′を求める（ステップ７）。すなわち、特定の周期信号としてのトラック１２に対応する２相周期信号の位相であるθＰ１２に対する誤差低減処理（位相補正）を行う。

先に説明したように、φｒｅｆとφとの差はトラック１１に対する読み取り位置を基準としたときのトラック１２に対する読み取り位置の誤差とみなすことができる。したがって、以下の式（９），（１０）に示すように、φｒｅｆとφとの差を０から２πの範囲に正規化したものを位相誤差Δφとし、Δφをトラック１１，１２に対する読み取り位置の差とみなして、ΔφをθＰ１２から差し引く。これにより、誤差を低減した位相θＰ１２′を算出する。
Δφ＝ＭＯＤ（φｒｅｆ−φ，２π） ・・・（９）
θＰ１２′＝ＭＯＤ（θＰ１２−Δφ，２π） ・・・（１０）
最後に、位置検出処理部３７は、粗位置ｃと誤差低減処理が行われた位相θＰ１２′とからスケール１０の絶対位置（以下、単に位置という）を検出する（ステップ８）。粗位置ｃはトラック全長に対して１周期であり、位相θＰ１２′はトラック全長に対して１６周期であり、粗位置ｃに比べて位相θＰ１２′は精度の高い位置を表す。そこで、位置検出処理部３７は、粗位置ｃを用いて位相θＰ１２′がその何周期目であるかを算出し、θＰ１２′の精度で位置を検出する。センサ２０が読み取っている周期をｎとすると、周期ｎは以下の式（１１）により表される。ただし、ＲＯＵＮＤ（ｘ）は、ｉ−１／２≦ｘ＜ｉ＋１／２を満たす整数ｉを返す関数である。
ｎ＝ＲＯＵＮＤ［（１６×ｃ−θＰ１２′）／（２π）］ ・・・（１１）
そして、位置をｘとすると、位相θＰ１２′の１周期はＰ１２＝Ｌ／１６に相当するため、位置ｘは以下の式（１２）で求められる。
ｘ＝［ｎ＋θＰ１２′／（２π）］×Ｌ／１６ ・・・（１２）
信号処理部３０は、以上により求めた位置ｘを、最終的に絶対位置の情報として、エンコーダが搭載された不図示の装置のシステムに対して出力する。

本実施例によれば、位置検出方向におけるいずれの位置においても、トラック１１，１２のそれぞれに対する読み取り位置の相対ずれ量（Δφ）を算出することができる。このため、スケール１０とセンサ２０を装置に組み付けた後にこれらスケール１０とセンサ２０の相対位置関係を特別の位置関係に調整することなく、誤差を低減した位置検出を行うことができる。

なお、本実施例では、粗位置ｃを求めるためにトラック１１に対応する２相周期信号の振幅を用いたが、トラック１１，１２のそれぞれに対応する２相周期信号の振幅の比を用いてもよい。これにより、センサ２０における発光部２３（光源）の光量や配光特性が変化する等して振幅が変化するような場合でも粗位置ｃの検出精度を高めることができる。

また、本実施例では、位置検出方向において反射部の反射率が変化するトラック１２を用いることで該トラック１２に対応する２相周期信号の振幅を変化させたが、反射部の面積を変化させることで振幅を変化させるようにしてもよい。この場合にも、本実施例と同様の効果を得ることができる。

また、信号処理部３０をＣＰＵ，ＭＰＵ等のコンピュータにより構成し、図７にフローチャートで示した位置検出処理を該信号処理部３０がコンピュータプログラム（位置検出プログラム）に従って行うようにしてもよい。

次に、本発明の実施例２について説明する。図８（Ａ）には、本実施例のエンコーダに用いられるスケール１０′を示している。本実施例のエンコーダも、実施例１と同様に、反射型光学式アブソリュートリニアエンコーダであり、スケール１０′と、図１に示したセンサ２０と同様に構成されたセンサ２０′と、図９に示した信号処理部３０′とにより構成されている。

スケール１０′において、トラック１１′には、互いに異なる周期Ｑ１１，Ｑ４１を有する複数（２つ）の周期パターンが位置検出方向に延びるように設けられている。これら２つの周期パターンは、位置検出方向に直交する方向（以下、スケール幅方向という）に交互に配置されている。また、トラック１２′には、互いに異なる周期Ｑ１２，Ｑ４２を有する複数（２つ）の周期パターンが位置検出方向に延びるように設けられている。これら２つの周期パターンも、スケール幅方向に交互に配置されている。周期Ｑ４１は周期Ｑ１１に対して約４倍に設定されており、周期Ｑ４２は周期Ｑ１２に対して約４倍に設定されている。また、トラック全長において、周期Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ４１およびＱ４２はそれぞれ、９９，９４，２５および２６周期含まれている。

センサ２０′は、実施例１のセンサ２０と同様に２つの受光部を有し、さらに図９に示す信号処理部３０′内に設けられた検出周期コントローラ３８からの指令に応じて、検出周期をＰ１０とＰ４０とに切り替えることができる。検出周期の切り替えは、Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）を出力する受光素子の配置を変更することで行われる。検出周期をＰ１０とするときは、実施例１において図３（Ａ）に示したように、Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）をそれぞれ出力する受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを循環的に位置検出方向に並べる。一方、検出周期をＰ４０とするときは、図８（Ｂ）に示すように、位置検出方向に１６個配置された受光素子を隣り合う４つごとに一組とし、各組の受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出力を１つにまとめる。そして、４組の受光素子の出力をそれぞれ、Ａ（＋），Ｂ（＋），Ａ（−），Ｂ（−）とする。

図８（Ａ）において、１３，１４はそれぞれ、センサ２０′の２つの受光部によるトラック１１′，１２′上での読み取り領域（光源から照射された光を各受光部に受光されるように反射する範囲）を示す。各読み取り領域は、各トラックにおいてスケール幅方向に交互に配置された２つの周期パターンの組を複数含むように設定されている。これにより、各受光部により読み取ることができる２つの周期パターンの位相は互いに同期して変化する。本実施例でもＰ１０，Ｑ１１，Ｑ１２は互いに十分に近い値であり、Ｐ４０，Ｑ４１，Ｑ４２も互いに十分に近い値である。

信号処理部３０′は、図９に示すように、ＡＤコンバータ３１、位相検出処理部３２、粗位置情報検出処理部３３、基準位相差算出処理部３４、検出位相差算出処理部３５、位相補正処理部３６、位置検出処理部３７および検出周期コントローラ３８を含む。実施例１の信号処理部３０（図４）では、ＡＤコンバータ３１の出力が位相検出処理部３２と粗位置情報検出処理部３３に入力され、位相検出処理部３２の出力が検出位相差算出処理部３５、位相補正処理部３６および位置検出処理部３７に入力された。これに対して、本実施例の信号処理部３０′では、ＡＤコンバータ３１の出力は位相検出処理部３２のみに入力され、位相検出処理部３２の出力が粗位置情報検出処理部３３、検出位相差算出処理部３５、位相補正処理部３６および位置検出処理部３７に入力される。

次に、本実施例における信号処理部３０′で行われる位置検出処理について説明する。図１０には、位置検出処理（位置検出処理方法）の流れをフローチャートに示しており、以下の説明におけるステップ２１〜３１が該フローチャート中のＳ２１〜Ｓ３１に相当する。

まず、検出周期コントローラ３８は、センサ２０′の検出周期をＰ１０に設定する（ステップ２１）。そして、ＡＤコンバータ３１は、センサ２０′から出力された周期Ｑ１１，Ｑ１２の二組の２相周期信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する（ステップ２２）。次に、検出周期コントローラ３８は、センサ２０′の検出周期をＰ４０に設定する（ステップ２３）。そして、ＡＤコンバータ３１は、センサ２０′から出力された周期Ｑ４１，Ｑ４２の二組の２相周期信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する（ステップ２４）。

本実施例でも、実施例１と同様に、検出周期と周期パターンの周期とが異なるため、四組の２相周期信号の位相差はπ／２とはならない。したがって、位相検出処理部３２は、サンプリングされた四組の２相周期信号のそれぞれに対して、実施例１と同様に位相差をπ／２に補正し（ステップ２５）、その後ａｒｃｔａｎ演算を行って位相を求める（ステップ２６）。以下、周期Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ４１，Ｑ４２の２相周期信号の位相をそれぞれ、θＱ１１，θＱ１２，θＱ４１，θＱ４２として説明する。

粗位置情報検出処理部３３は、同じ１つのトラック１１′に対応する複数（一組）の２相周期信号の位相θＱ１１，θＱ４１から粗位置を求める（ステップ２７）。前述したように、トラック全長において周期Ｑ１１と周期Ｑ４１はそれぞれ９９周期と２５周期あるので、θＱ１１とθＱ４１はトラック全長においてそれぞれ９９回と２５回、０から２πまで繰り返し変化する。以下の式（１３）にて表すように、θＱ４１の変化を４倍にして０から２πの範囲に正規化することで、トラック全長において１００回、０から２πまで変化する位相θ１００が求められる。
θ１００＝ＭＯＤ（４×θＱ４１，２π） ・・・（１３）
そして、θ１００とθＱ１１との位相差を求めると、θ１００とθＱ１１はそれぞれトラック全長で１００周期と９９周期の位相であるので、位相差はトラック全長で１周期となり、これを粗位置ｃとする。粗位置ｃは、以下の式（１４）により表される。
ｃ＝ＭＯＤ（θ１００−θＱ１１，２π） ・・・（１４）
次に、基準位相差算出処理部３４は、粗位置ｃから基準位相差を演算する（ステップ２８）。本実施例では、トラック１１′とトラック１２′に対応する位相がそれぞれ２つずつ存在するため、それぞれの位相について基準位相差と検出位相差を求める。トラック１１′，１２′に設けられた周期Ｑ１１，Ｑ１２の周期パターンの周期数の差は５であり、周期Ｑ４１，Ｑ４２の周期パターンの周期数の差は１である。このため、粗位置ｃからトラック全長で１周期および５周期の基準位相差φｒｅｆ１，φｒｅｆ５をそれぞれ求める。φｒｅｆ１およびφｒｅｆ５はそれぞれ、以下の式（１５），（１６）により表される。
φｒｅｆ１＝ｃ ・・・（１５）
φｒｅｆ５＝ＭＯＤ（ｃ×５，２π） ・・・（１６）
そして、検出位相差算出処理部３５は、位相θＱ１１とθＱ１２を用いて以下の式（１７）により検出位相差φ５を求め、また、位相θＱ４１とθＱ４２を用いて以下の式（１８）により検出位相差φ１を求める（ステップ２９）。
φ５＝ＭＯＤ（θＱ１１−θＱ１２，２π） ・・・（１７）
φ１＝ＭＯＤ（θＱ４２−θＱ４１，２π） ・・・（１８）
本実施例でも、トラック１１′の読み取り位置を基準とすると、φｒｅｆ１，φｒｅｆ５は誤差を持たないとみなすことができ、φ１，φ５はトラック１２′に対する受光部の読み取り位置のずれによる誤差を持つとみなすことができる。したがって、これらから、トラック１１′，１２′に対するそれぞれの受光部の読み取り位置の相対ずれを求めることができる。

次に、位相補正処理部３６は、基準位相差φｒｅｆ１，φｒｅｆ５と検出位相差φ１，φ５とから、位相θＱ１２に含まれるトラック１１′とトラック１２′に対する読み取り位置の相対ずれによる誤差を低減した位相θＱ１２′を求める（ステップ３０）。すなわち、特定の周期信号であるトラック１２′に対応する２相周期信号の位相であるθＱ１２に対する誤差低減処理（位相補正）を行う。

本実施例では、基準位相差と検出位相差がそれぞれ２種類あるため、まずそれぞれについて差Δφ１，Δφ５を以下の式（１９），（２０）によって求める。

Δφ１＝ＭＯＤ（φｒｅｆ１−φ１，２π） ・・・（１９）
Δφ５＝ＭＯＤ（φｒｅｆ５−φ５，２π） ・・・（２０）
ここで、Δφ１とΔφ５に含まれる読み取り位置のずれはそれぞれ、θＱ４２とθＱ１２によるものであり、Ｑ４２とＱ１２はトラック全長にそれぞれ２６周期と９４周期含まれる。つまり、トラック全長をＬとしたときに、Δφ１に対しては２πがＬ／２６の変位に相当し、Δφ５に対しては２πがＬ／９４の変位に相当する。そこで、以下の式（２１），（２２）に示すようにΔφ１をΔφ５の比に換算して平均化したものをΔφとし、ΔφをθＱ１２に含まれる誤差とみなして位相θＱ１２′を求める。
Δφ＝（Δφ５＋Δφ１×２６／９４）／２ ・・・（２１）
θＱ１２′＝ＭＯＤ（θＱ１２−Δφ，２π） ・・・（２２）
最後に、位置検出処理部３７は、粗位置ｃと位相θＱ１１，θＱ１２′，θＱ４１とからスケール１０′の絶対位置（以下、単に位置という）を求める（ステップ３１）。まず、トラック全長で９９周期と９４周期を有する位相θＱ１１とθＱ１２′から位相差を求めると、トラック全長で５周期の信号が求められ、これをθ５とする。θ５は、以下の式（２３）により表される。
θ５＝ＭＯＤ（θＱ１１−θＱ１２′，２π） ・・・（２３）
そして、位置検出処理部３７は、粗位置ｃおよび位相θ５，θＱ４１，θＱ１１から位置を求める。粗位置ｃおよび位相θ５，θＱ４１，θＱ１１はそれぞれトラック全長で１周期、５周期、２５周期、９９周期であるので、実施例１と同様に、θ５，θＱ４１，θＱ１１の精度を持つ位置を順に求める。θ５，θＱ４１，θＱ１１における周期数をそれぞれｎ１，ｎ２，ｎ３とし、それぞれの精度での位置をｘ１，ｘ２，ｘ３とすると、ｘ１，ｘ２，ｘ３は以下の式（２４）〜（２９）により求められる。
ｎ１＝ＲＯＵＮＤ［（５×ｃ−θ５）／（２π）］ ・・・（２４）
ｘ１＝［ｎ１＋θ５／（２π）］×Ｌ／５ ・・・（２５）
ｎ２＝ＲＯＵＮＤ｛［２５×（ｘ１×２π／Ｌ）−θＱ４１］／（２π）｝ ・・・（２６）
ｘ２＝［ｎ２＋θＱ４１／（２π）］×Ｌ／２５ ・・・（２７）
ｎ３＝ＲＯＵＮＤ｛［９９×（ｘ２×２π／Ｌ）−θＱ１１］／（２π）｝ ・・・（２８）
ｘ３＝［ｎ３＋θＱ１１／（２π）］×Ｌ／９９ ・・・（２９）
信号処理部３０′は、以上により求めた位置ｘ３を、最終的に絶対位置の情報として、エンコーダが搭載された不図示の装置のシステムに対して出力する。

本実施例でも、位置検出方向におけるいずれの位置においても、トラック１１′，１２′のそれぞれに対する読み取り位置の相対ずれ量（Δφ）を算出することができる。このため、スケール１０′とセンサ２０′を装置に組み付けた後にこれらスケール１０′とセンサ２０′の相対位置関係を特別の位置関係に調整することなく、誤差を低減した位置検出を行うことができる。

本実施例では、それぞれ２つの基準位相差と検出位相差を求めたが、それぞれ１つの基準位相差と検出位相差を求めてもよい。それぞれ１つの基準位相差と検出位相差から読み取り位置のずれを求める場合と比較して、それぞれ２つの基準位相差と検出位相差からずれを求める場合の方が精度を改善することができる。しかし、それぞれ１つの基準位相差と検出位相差から読み取り位置のずれを必要十分な精度で求められる場合は、その方が演算時間を短縮することができる。

また、信号処理部３０′をＣＰＵ，ＭＰＵ等のコンピュータにより構成し、図１０にフローチャートで示した位置検出処理を該信号処理部３０′がコンピュータプログラム（位置検出プログラム）に従って行うようにしてもよい。

さらに、実施例１，２では、反射型光学式リニアエンコーダについて説明したが、実施例１，２にて説明した位置検出処理と同様の処理は、透過型光学式エンコーダや、磁気式 静電容量式等の光学式以外のエンコーダや、ロータリエンコーダにも適用できる。言い換えれば、上記処理は、基準位相差と検出位相差を求めて位置検出誤差を低減することができるエンコーダであれば適用することができる。

図１１には、上述した実施例１または実施例２のエンコーダを搭載した装置の一例として、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置（光学機器）を示している。この撮像装置では、エンコーダをレンズ鏡筒内での光学素子の位置を検出するために用いている。

図１１において、１０，２０はそれぞれ、実施例１のエンコーダを構成するスケール１０およびセンサ２０を示す。これらに代えて、実施例２のエンコーダを構成するスケール１０′およびセンサ２０′を用いてもよい。また、４４は実施例１のエンコーダを構成する信号処理部３０を含み、撮像装置のシステム全体を制御する制御部（ＣＰＵ）を示す。制御部４４は、実施例１の信号処理部３０に代えて、実施例２の信号処理部３０′を含んでもよい。

スケール１０は、レンズ鏡筒内において光軸回りで回転する円筒形状のカム環５０の内周面に取り付けられている。カム環５０は、不図示のアクチュエータによって回転駆動される。

レンズ鏡筒内には、撮影光学系４１が収容されている。撮影光学系４１は、カム環５０が回転することで、該カム環５０に形成されたカムによって光軸方向に移動可能な可動部材としての光学素子（例えば、変倍レンズやフォーカスレンズ）４２を含む。

４５は撮影光学系４１により形成された被写体像を光電変換するイメージセンサ（撮像素子）であり、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。

光学素子４２を移動させるためにカム環５０が回転すると、エンコーダによりカム環５０の回転位置（つまりは光学素子４２の位置）が検出され、その情報が制御部４４に出力される。

制御部４４は、その回転位置の情報に基づいてカム環５０を回転させるアクチュエータを駆動し、光学素子４２の位置や移動（速度）を制御する。
前述したように、実施例１，２のエンコーダでは、スケール（１０，１０′）とセンサ（２０，２０′）が位置検出方向でいずれの相対位置にあっても、スケール上の２つのトラックのそれぞれに対する読み取り位置の相対ずれ量を算出することができる。このため、スケールとセンサを撮像装置に組み付けた後にこれらスケールとセンサの相対位置関係を特別の位置関係に調整することなく、誤差を低減した光学素子４２の位置検出を行うことができる。

なお、実施例１，２のエンコーダは、上述した撮像装置に限らず、プリンタ（光学機器）における印字ヘッドや給紙ローラの位置検出、複写機（光学機器）の感光ドラムの回転位置検出をはじめ、ロボットアームの位置検出等、様々な装置に適用することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

スケールとセンサとの相対位置ずれに伴う位置検出誤差を低減できるエンコーダを提供することができる。

１０，１０′ スケール
１１，１１′，１２，１２′ トラック
２０，２０′ センサ
２１，２２ 受光部
３０，３０′ 信号処理部

Claims (8)

1. 互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールと、
   該スケールとの相対移動が可能であるとともに、前記複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、前記複数のトラックの前記周期パターンをそれぞれ検出した前記複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサと、
   前記複数の周期信号を用いて、前記スケールまたは前記センサの絶対位置を算出する信号処理手段とを有するアブソリュート型エンコーダであって
   前記信号処理手段は、
   前記複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、前記絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出する粗位置検出手段と、
   前記粗位置を用いて、前記複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出する基準位相差算出手段と、
   前記複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出する実位相差算出手段と、
   前記基準位相差と前記実位相差とを用いて、前記スケールと前記センサとの相対移動方向における前記複数のトラックに対する前記複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて前記複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行う位相補正手段と、
   前記粗位置と前記誤差低減処理が行われた前記位相とを用いて前記絶対位置を算出する絶対位置算出手段とを有することを特徴とするエンコーダ。
2. 前記位相補正手段は、前記基準位相差と前記実位相差との差を前記特定の周期信号の位相から差し引くことで、前記誤差低減処理を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ。
3. 前記粗位置検出手段は、１つの前記周期信号の振幅から、または互いに周期が異なる複数の前記周期パターンを含む１つの前記トラックに対して設けられた前記検出部の出力から生成された複数の前記周期信号の位相から、前記粗位置を算出することを特徴とする請求項１または２に記載のエンコーダ。
4. 前記基準位相差算出手段は、前記粗位置に、前記複数のトラックに設けられた前記周期パターンの周期数の差を乗じることにより、前記基準位相差を算出することを特徴とする請求項１から３のいがずれか一項に記載のエンコーダ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のエンコーダと、
   前記スケールまたは前記センサが設けられ、移動が可能な可動部材と、
   前記エンコーダから出力される前記絶対位置の情報を用いて前記可動部材の位置または移動を制御する制御手段とを有することを特徴とする装置。
6. 前記可動部材として光学素子を有する光学機器であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールとの相対移動が可能であるとともに、前記複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、前記複数のトラックの前記周期パターンをそれぞれ検出した前記複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサを用いて、前記スケールまたは前記センサの絶対位置を算出する位置検出方法であって、
   前記複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、前記絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出し、
   前記粗位置を用いて、前記複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出し、
   前記複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出し、
   前記基準位相差と前記実位相差とを用いて、前記スケールと前記センサとの相対移動方向における前記複数のトラックに対する前記複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて前記複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行い、
   前記粗位置と前記誤差低減処理が行われた前記位相とを用いて前記絶対位置を算出することを特徴とする位置検出方法。
8. 互いに異なる周期を有する周期パターンを含む複数のトラックが設けられたスケールとの相対移動が可能であるとともに、前記複数のトラックのそれぞれに対して設けられた複数の検出部を有し、前記複数のトラックの前記周期パターンをそれぞれ検出した前記複数の検出部の出力から該各周期パターンに応じた変化周期をそれぞれ有する複数の周期信号を生成するセンサから出力された前記複数の周期信号を用いて、コンピュータに前記スケールまたは前記センサの絶対位置を算出する処理を行わせるコンピュータプログラムであって、
   前記処理は、
   前記複数の周期信号のうち少なくとも１つの周期信号を用いて、前記絶対位置よりも精度が粗い粗位置を検出するステップと、
   前記粗位置を用いて、前記複数の周期信号間の位相差の基準値である基準位相差を算出するステップと、
   前記複数の周期信号間の位相差の実際値である実位相差を算出するステップと、
   前記基準位相差と前記実位相差とを用いて、前記スケールと前記センサとの相対移動方向における前記複数のトラックに対する前記複数の検出部による検出位置の相対ずれにより生じた誤差を算出し、該誤差を用いて前記複数の周期信号のうち特定の周期信号の位相に対する誤差低減処理を行うステップと、
   前記粗位置と前記誤差低減処理が行われた前記位相とを用いて前記絶対位置を算出するステップとを含むことを特徴とする位置検出プログラム。